квантовохимическое исследование конформеров l‐ и d‐ аргинин
advertisement
КВАНТОВОХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНФОРМЕРОВ L‐ И D‐ АРГИНИНА Нифтали ГОДЖАЕВ Университет Гафгаз Институт Проблем физики, Бакинский Государственный Университет, Баку / Азербайджан nifbiophys@yahoo.com Светлана ДЕМУХАМЕДОВА Институт Проблем физики, Бакинский Государственный Университет, Баку / Азербайджан svetlanabest@mail.ru Ирада АЛИЕВА Институт Проблем физики, Бакинский Государственный Университет, Баку / Азербайджан iradanur@mail.az РЕЗЮМЕ Полуэмпирическими методами квантовой химии с использованием пакета прикладных компьютерных программ изучена взаимосвязь между электронным строением и конформацион‐ ными свойствами L‐ и D‐ изомеров аргинина. Ключевые слова: аргинин, квантово‐химический расчет, электронная структура QUANTUM‐CHEMICAL STUDY OF THE L‐ AND D‐ARGININE CONFORMERS ABSTRACT The relationship between electron and conformational properties of the L‐ and D‐arginine was investigated by the semiempirical methods of quantum chemistry on the base of applied computational programs. Key words: arginine, quantum‐chemical calculations, electron structure. Введение Известно, что молекулы белков выс‐ ших организмов построены из строго определенных стереоизомеров амино‐ кислот ‐ L‐аминокислот, кодируемых генами [1,2]. В состав некоторых бак‐ Number 19, 2007 териальных белков и пептидов входят также D‐аминокислотные остатки, синтезируемые специальными фер‐ ментами. Несмотря на то, что D‐ аминокислоты не кодируются при матричном синтезе белка, при хими‐ 37 Нифтали Годжаев, Светлана Демухамедова, Ирада Алиева ческом синтезе пептидов часто воз‐ можны переходы L‐аминокислот в D‐ аминокислотные остатки и наоборот (L ↔ D переход, или рацемизация). В последние годы большое внимание уделяется синтезу аналогов природ‐ ных пептидов, в которых L‐аминокис‐ лотные остатки в различных положе‐ ниях пептидной цепи заменяются на D‐изомеры аминокислот [3‐5]. Целью таких исследований является поиск новых лекарственных препаратов, об‐ ладающих ярко выраженными селек‐ тивными свойствами и пролонгиро‐ ванным эффектом действия. Физичес‐ кие свойства и механизм функцио‐ нальной активности модифицирован‐ ных молекул зависят от их реакцион‐ ной способности и устойчивости пеп‐ тидных связей к действию пептидаз. Поэтому исследование пространствен‐ ного строения и электронных харак‐ теристик L‐ и D‐изомеров аминокис‐ лотных остатков и изучение их взаимо‐ связи с функциональными свойствами биологических молекул становятся все более актуальными в связи со стреми‐ тельно возрастающим развитием компьютерных технологий и внедре‐ нием новых усовершенствованных компьютерных программ. В данной работе, как продолжение исследова‐ ний электронного строения различных аминокислотных остатков [6‐8], изу‐ чены электронно‐конформационные характеристики L‐ и D‐ стереоизоме‐ ров аргинина. Аргинин относится к незаменимым аминокислотам. Он имеет огромное значение для правильного функциони‐ рования человеческого организма, в частности, стимулирует иммунную 38 систему организма и замедляет рост опухолей, в том числе раковых [9‐15]. Аргинин повышает активность и уве‐ личивает размер вилочковой железы, которая вырабатывает Т‐лимфоциты. Его применяют при заболеваниях пе‐ чени (циррозе и жировой дистрофии), так как он способствует дезинтоксика‐ ционным процессам в печени. Арги‐ нин способствует поддержанию опти‐ мального азотного баланса в организ‐ ме, участвует в транспортировке и обезвреживании избыточного азота в организме. Аргинин ‐ важный компо‐ нент обмена веществ в мышечной тка‐ ни. Большое количество аргинина со‐ держится в соединительной ткани и в коже, поэтому он эффективен при различных травмах. В данной работе полуэмпирическими методами квантовой химии с исполь‐ зованием современных компьютерных программ исследована взаимосвязь между пространственной структурой и электронно‐конформационными свой‐ ствами L‐ и D‐изомеров аргинина. Методы Расчета Полуэмпирические методы квантовой химии в зависимости от применения нулевого дифференциального перек‐ рывания и аппроксимации остовных, кулоновских и обменных интегралов, входящих в матричные элементы опе‐ ратора Фока, имеют разные модифи‐ кации. Это хорошо известные методы МО ССП CNDO/1,2, MINDO/1,2,3, MNDO, AM1, PM3, MP2, Хюккеля и ряд других. Каждый из методов позволяет в результате расчета получить набор тех или иных электронных или спек‐ тральных характеристик, значения ко‐ Journal of Qafqaz University Квантовохимическое Исследование Конформеров L‐ и D‐ Аргинина торых хорошо совпадают с экспери‐ ментом [16‐18]. Полуэмпирические ме‐ тоды решают уравнение Шредингера для атомов и молекул с использо‐ ванием определенных приближений и упрощений. Все методы этой группы характеризуются тем, что: (а) расчет ве‐ дется только для валентных электро‐ нов; (б) пренебрегаются интегралы оп‐ ределенных взаимодействий; (в) ис‐ пользуются стандартные не оптимизи‐ рованные базисные функции электрон‐ ных орбиталей и (г) используются некоторые параметры, полученные в эксперименте. Экспериментальные па‐ раметры устраняют необходимость расчетов ряда величин и корректируют ошибочные результаты приближений. В данной работе электронное строение L‐ и D‐изомеров аргинина было изу‐ чено модами CNDO/2, CNDO/M, MINDO/3, MNDO, AM1 и PM3. Результатом применения этих методов является информация о плотностях электронных состояний, потенциаль‐ ных поверхностях реакций и барьерах перегруппировок, расчет различных спектроскопических величин, таких как колебательные спектры, электронные и рентгеновские спектры, оптические спектры, параметры спектров ядерного и электронного магнитных резонансов. Метод CNDO/2 (полное пренебреже‐ ние дифференциальным перекрывани‐ ем) является простейшим методом самосогласованного поля. Он исполь‐ зуется для расчетов основного состо‐ яния электронных характеристик сис‐ тем с открытой и закрытой оболоч‐ ками. Метод CNDO/2 дает хорошие значения геометрических характерис‐ Number 19, 2007 тик молекул (длин связей, валентных углов), дипольных моментов, силовых постоянных, химических сдвигов ЯМР, барьеров внутреннего вращения. Метод MINDO/3 (частичное пренебре‐ жение дифференциальным перекрыва‐ нием) используется при расчетах ос‐ новного состояния систем с открытой и закрытой оболочками, оптимизации геометрии и полной энергии. Парамет‐ ризуемое свойство этого метода – теплота парообразования, которую он воспроизводит с химической точ‐ ностью ~ 4 ккал/моль, а потенциалы ионизации ~0,35 эВ. Метод МINDO/3 достаточно точно рассчитывает геомет‐ рические характеристики молекул, но плохо воспроизводит спектральные характеристики, водородные связи, от‐ талкивание неподеленных пар. Метод MNDO (модифицированное пренебрежение дифференциальным перекрыванием) является дальнейшим развитием метода MINDO/3, в котором исправлен ряд ошибок последнего. Ме‐ тод позволяет проводить качественные расчеты электронной и атомной струк‐ тур органических молекул, содержа‐ щих атомы 1‐й и 2‐й главных подгрупп (но не атомов переходных элементов). Этот метод позволяет получать хоро‐ шие результаты для больших органи‐ ческих молекул при расчетах электрон‐ ных характеристик системы и теплот образования. В отличие от МINDO в методе МNDO параметры зависят только от свойств атомов, а не их пар‐ ных комбинаций. Метод AM1 (Austin Model) является улучшением метода MNDO. Это один из наиболее точных методов, исполь‐ 39 Нифтали Годжаев, Светлана Демухамедова, Ирада Алиева зуемых для вычисления электронной структуры, оптимизации геометрии, расчетов полной энергии и теплоты образования органических молекул, со‐ держащих элементы из главных под‐ групп 1 и 2 групп периодической системы. Метод PM3 (Parameterised Model 3) является версией метода AM1 и от‐ личается от последнего только вели‐ чинами параметров. Параметры для PM3 были получены сравнением боль‐ шого числа и вида экспериментов с результатами расчетов. Как правило, нековалентные взаимодействия в ме‐ тоде PM3 являются менее расталкива‐ ющими, нежели чем в AM1. PM3 пер‐ воначально предназначался для рас‐ чета органических молекул, но потом он был также параметризован и для ряда других групп элементов, в част‐ ности – и для переходных металлов. При расчетах методами АМ1 и РМ3 ошибка в длинах связей составляет ~0,036Å, в валентных углах ~3‐4°, а в энергиях образования молекул ~ 5 ккал/моль. Расчеты проводились с использова‐ нием комплекса сервисных программ LEV, разработанного в институте ГЕОХИ им. Вернадского [19]. Кванто‐ вохимический раздел программы LEV позволяет рассчитывать распределение зарядов на атомах, проводить оптими‐ зацию геометрических характеристик сложных молекулярных структур, вы‐ числять силовые и электрооптические потенциалы, электронные плотности и ядерные силы. Кроме того, программа позволяет строить наглядные карты и рельефные поверхности распределения валентной электронной плотности в 40 заданных плоскостях, а также карты и поверхности распределения проекций электронно‐ядерных сил, действующих на ядро любого атома, тем самым изучая характер взаимодействия сил. Расчеты позволяют количественно оце‐ нить суммарное влияние структурных изменений на распределение элек‐ тронной плотности молекулы в целом и в любой ее части. Расчетные модели молекул строились на основе координат атомов, получен‐ ных методом теоретического конфор‐ мационного анализа. Результаты и их Обсуждение Для расчетов были выбраны девять низкоэнергетических конформаций L‐ и D‐аргинина, рассчитанных методом теоретического конформационного ана‐ лиза (табл.1). На рис. 1 приведена рас‐ четная модель молекулы аргинина, нумерация атомов и варьируемые двуг‐ ранные углы внутреннего вращения. Для каждого стереоизомера расчеты проводились всеми доступными в программе LEV полуэмпирическими методами квантовой химии‐ CNDO/2, CNDO/M, MINDO/3, MNDO, AM1 и PM3. Были рассчитаны заряды на ато‐ мах, величины полной, атомной и электронной энергии молекул, распре‐ деление электронной плотности и ве‐ личины дипольных моментов как всей молекулы, так и отдельных связей. На основе сравнительного анализа резуль‐ татов, полученных разными полуэм‐ пирическими методами расчета иссле‐ дован характер химических связей в различных конформационных состоя‐ ниях L‐ и D‐аргинина, изучено влияние заместителей на конформационную Journal of Qafqaz University Квантовохимическое Исследование Конформеров L‐ и D‐ Аргинина устойчивость исследуемых соединений, проведен сопоставительный анализ полученных результатов с данными других исследователей [20]. Таблица 1. Двугранные углы в низкоэнергети‐ ческих конформациях L‐ и D‐ аргинина, используемые в квантово‐ химических расчетах № Двугранные углы для L‐ Энергия, аргинина, град ккал/моль ω 1 φ 1 χ 1 χ 2 χ 3 χ 4 Ψ1 ω 2 1 179 ‐60 66 186 181 179 ‐36 178 ‐0.68 2 179 ‐68 183 176 179 179 ‐50 179 ‐3.15 3 179 ‐125 ‐61 183 179 180 ‐60 179 ‐3.09 4 170 ‐73 68 181 179 179 159 179 ‐0.89 5 179 ‐83 184 176 179 179 90 178 ‐3.07 6 179 ‐140 ‐63 182 179 179 163 179 ‐4.10 7 179 35 53 175 179 178 49 180 ‐3.95 8 179 57 195 180 179 180 64 179 ‐0.17 9 179 53 ‐58 180 179 179 51 180 ‐1.45 Двугранные углы для D ‐ Энергия, № аргинина, град ккал/моль ω 1 φ 1 χ 1 χ 2 χ 3 χ 4 Ψ1 ω 2 1 180 ‐53 58 180 180 179 ‐48 179 ‐1.35 2 179 ‐57 167 178 180 179 ‐10 179 ‐0.37 3 179 ‐199 ‐49 180 178 180 ‐54 179 ‐0.74 4 179 ‐63 48 179 179 179 177 181 0.67 5 180 ‐77 161 178 179 179 62 179 0.50 6 179 ‐199 ‐61 177 179 179 195 180 ‐4.01 7 179 72 65 177 179 179 52 179 ‐3.05 8 181 67 178 183 180 179 51 178 ‐3.12 9 180 61 ‐67 174 179 180 35 179 ‐0.75 Рис. 1. Расчетная модель молекулы аргинина При расчетах электронной структуры общий заряд молекулы в основном состоянии взят равным нулю. В таб‐ лицах 2 и 3 в качестве примера при‐ ведено распределение зарядов на атомах для различных низкоэнергети‐ ческих конформаций L‐ и D‐аргинина, полученных методом АМ1. Как пока‐ зывает анализ результатов, парциаль‐ ные заряды на атомах в основном мало изменяются при переходе от одной конформации к другой. Изменение зарядов в L‐ и D‐изомерах аргинина наблюдается лишь для атомов пептид‐ ной группы С5О6N7Н8 и на близлежа‐ щих атомах водорода боковой цепи. Таблица 2. Величины парциальных зарядов (в единицах заряда электрона) на атомах L‐аргинина в различных конформационных состояниях, рассчитанные методом АМ1 Номер атома С1 Н2 Н3 Н4 С5 О6 N7 H8 C9 H10 Number 19, 2007 1 ‐0.257 0.112 0.104 0.098 0.335 ‐0.289 ‐0.462 0.226 0.010 0.122 2 ‐0.257 0.111 0.102 0.099 0.337 ‐0.285 ‐0.456 0.223 0.009 0.124 К О Н Ф О Р М А Ц И И L‐А Р Г И Н И Н А 3 4 5 6 7 ‐0.257 ‐0.254 ‐0.255 ‐0.254 ‐0.257 0.112 0.106 0.109 0.107 0.112 0.101 0.096 0.104 0.103 0.099 0.104 0.113 0.108 0.108 0.106 0.345 0.354 0.347 0.342 0.334 ‐0.298 ‐0.317 ‐0.331 ‐0.324 ‐0.293 ‐0.445 ‐0.427 ‐0.433 ‐0.428 ‐0.453 0.220 0.233 0.239 0.251 0.229 0.004 0.015 0.009 0.008 0.000 0.144 0.099 0.098 0.112 0.097 8 ‐0.257 0.110 0.099 0.102 0.336 ‐0.284 ‐0.450 0.226 0.006 0.093 9 ‐0.258 0.111 0.099 0.105 0.335 ‐0.289 ‐0.454 0.227 0.005 0.097 41 Нифтали Годжаев, Светлана Демухамедова, Ирада Алиева C11 H12 H13 C14 H15 H16 C17 H18 H19 N20 H21 C22 N23 H24 H25 N26 H27 C28 O29 N30 H31 H32 ‐0.168 0.117 0.093 ‐0.192 0.081 0.108 ‐0.019 0.075 0.084 ‐0.392 0.252 0.230 ‐0.471 0.251 0.214 ‐0.345 0.098 0.296 ‐0.370 ‐0.407 0.232 0.233 ‐0.173 0.096 0.080 ‐0.176 0.107 0.107 ‐0.019 0.073 0.075 ‐0.389 0.259 0.229 ‐0.473 0.250 0.212 ‐0.342 0.096 0.288 ‐0.363 ‐0.407 0.228 0.232 ‐0.178 0.072 0.106 ‐0.175 0.108 0.093 ‐0.020 0.079 0.072 ‐0.390 0.256 0.230 ‐0.472 0.250 0.212 ‐0.345 0.096 0.288 ‐0.362 ‐0.412 0.228 0.234 ‐0.169 0.092 0.097 ‐0.182 0.098 0.110 ‐0.020 0.074 0.075 ‐0.390 0.258 0.229 ‐0.472 0.250 0.212 ‐0.343 0.096 0.283 ‐0.375 ‐0.408 0.231 0.234 ‐0.163 0.088 0.114 ‐0.180 0.114 0.088 ‐0.014 0.082 0.073 ‐0.387 0.253 0.229 ‐0.472 0.249 0.213 ‐0.348 0.096 0.282 ‐0.393 ‐0.398 0.251 0.230 ‐0.175 0.098 0.083 ‐0.174 0.103 0.100 ‐0.020 0.073 0.076 ‐0.389 0.258 0.230 ‐0.472 0.249 0.213 ‐0.346 0.096 0.291 ‐0.384 ‐0.406 0.236 0.236 ‐0.162 0.117 0.077 ‐0.177 0.078 0.135 ‐0.018 0.065 0.082 ‐0.386 0.257 0.232 ‐0.473 0.247 0.213 ‐0.354 0.094 0.311 ‐0.376 ‐0.402 0.229 0.236 ‐0.165 0.082 0.135 ‐0.181 0.116 0.077 ‐0.016 0.087 0.070 ‐0.389 0.253 0.232 ‐0.472 0.248 0.214 ‐0.354 0.095 0.289 ‐0.360 ‐0.407 0.229 0.233 ‐0.158 0.120 0.106 ‐0.182 0.084 0.090 ‐0.018 0.079 0.083 ‐0.392 0.251 0.232 ‐0.471 0.249 0.216 ‐0.353 0.097 0.298 ‐0.366 ‐0.406 0.230 0.234 Таблица 3. Величины парциальных зарядов (в единицах заряда электрона) на атомах D‐аргинина в различных конформационных состояниях, рассчитанные методом АМ1 Номер атома С1 Н2 Н3 Н4 С5 О6 N7 H8 C9 H10 C11 H12 H13 C14 H15 H16 C17 H18 H19 N20 H21 42 1 ‐0.249 0.118 0.095 0.089 0.300 ‐0.348 ‐0.383 0.234 ‐0.003 0.101 ‐0.158 0.110 0.127 ‐0.184 0.090 0.084 ‐0.017 0.084 0.080 ‐0.392 0.251 2 ‐0.248 0.117 0.091 0.089 0.300 ‐0.340 ‐0.377 0.233 ‐0.000 0.093 ‐0.166 0.143 0.083 ‐0.181 0.077 0.115 ‐0.015 0.071 0.088 ‐0.389 0.253 К О Н Ф О Р М А Ц И И D‐А Р Г И Н И Н А 3 4 5 6 7 ‐0.248 ‐0.246 ‐0.248 ‐0.245 ‐0.248 0.118 0.115 0.117 0.113 0.119 0.090 0.085 0.097 0.096 0.088 0.096 0.098 0.099 0.094 0.092 0.306 0.322 0.316 0.307 0.302 ‐0.366 ‐0.366 ‐0.400 ‐0.385 ‐0.343 ‐0.379 ‐0.357 ‐0.360 ‐0.362 ‐0.384 0.238 0.238 0.248 0.263 0.230 ‐0.002 0.005 ‐0.005 0.004 0.002 0.119 0.096 0.122 0.111 0.134 ‐0.163 ‐0.181 ‐0.173 ‐0.176 ‐0.173 0.106 0.078 0.116 0.119 0.116 0.118 0.134 0.097 0.084 0.078 ‐0.181 ‐0.174 ‐0.182 ‐0.182 ‐0.181 0.110 0.103 0.093 0.098 0.089 0.083 0.084 0.105 0.102 0.108 ‐0.017 ‐0.019 ‐0.017 ‐0.019 ‐0.019 0.082 0.086 0.076 0.074 0.074 0.076 0.072 0.080 0.080 0.082 ‐0.389 ‐0.390 ‐0.390 ‐0.390 ‐0.391 0.252 0.253 0.256 0.256 0.256 8 ‐0.248 0.119 0.088 0.092 0.301 ‐0.341 ‐0.384 0.230 0.001 0.131 ‐0.175 0.081 0.097 ‐0.176 0.109 0.107 ‐0.018 0.076 0.073 ‐0.389 0.259 9 ‐0.248 0.119 0.088 0.094 0.299 ‐0.346 ‐0.390 0.234 0.002 0.129 ‐0.170 0.094 0.121 ‐0.193 0.109 0.080 ‐0.018 0.085 0.076 ‐0.392 0.253 Journal of Qafqaz University Квантовохимическое Исследование Конформеров L‐ и D‐ Аргинина C22 N23 H24 H25 N26 H27 C28 O29 N30 H31 H32 0.232 ‐0.471 0.249 0.216 ‐0.353 0.097 0.303 ‐0.361 ‐0.405 0.228 0.237 0.232 ‐0.472 0.248 0.215 ‐0.353 0.096 0.290 ‐0.347 ‐0.409 0.227 0.236 0.232 ‐0.471 0.248 0.215 ‐0.354 0.096 0.284 ‐0.367 ‐0.408 0.239 0.237 0.231 ‐0.471 0.250 0.214 ‐0.348 0.097 0.291 ‐0.355 ‐0.411 0.229 0.237 Наиболее существенное перераспреде‐ ление зарядов наблюдается при расче‐ тах методами АМ1 и РМ3. Пептидная группа относится к р,π сопряженной системе, в составе которой атомы С, О и N лежат в одной σ‐плоскости. За счет образования единого делокализован‐ ного 4π‐электронного облака вращение вокруг С5‐N7 связи затруднено, поэтому изменение конформации существенно влияет на перераспределение элек‐ 0.231 ‐0.472 0.249 0.214 ‐0.347 0.096 0.285 ‐0.388 ‐0.412 0.269 0.227 0.230 ‐0.472 0.250 0.213 ‐0.346 0.096 0.294 ‐0.387 ‐0.402 0.238 0.240 0.230 ‐0.471 0.251 0.213 ‐0.342 0.097 0.291 ‐0.353 ‐0.407 0.227 0.235 0.229 ‐0.473 0.250 0.211 ‐0.341 0.096 0.292 ‐0.354 ‐0.408 0.227 0.235 0.230 ‐0.471 0.251 0.214 ‐0.344 0.098 0.301 ‐0.365 ‐0.405 0.231 0.236 тронной плотности на атомах пептид‐ ной группы. В целом, несмотря на различие абсол‐ ютных значений, характер перераспре‐ деления зарядов, описываемый разны‐ ми методами расчета одинаковый. Это следует также из таблицы 4, где при‐ ведены пределы изменения парциаль‐ ных зарядов на атомах пептидной группы в L‐ и D‐аргинине по данным квантово‐химических расчетов. Таблица 4. Пределы изменения парциальных зарядов (в единицах заряда электрона) на некоторых атомах L‐ и D‐аргинина по данным квантово‐химических расчетов Атом С5 О6 N7 H8 C9 H10 C11 H12 H13 C14 H15 H16 C28 O29 N30 H31 H32 Number 19, 2007 CNDO/2 L‐аргинин D‐аргинин 0.008 0.013 0.018 0.024 0.012 0.011 0.023 0.025 0.009 0.006 0.032 0.023 0.005 0.003 0.027 0.038 0.036 0.031 0.004 0.005 0.020 0.018 0.033 0.019 0.019 0.012 0.013 0.019 0.004 0.024 0.016 0.045 0.004 0.008 AM1 L‐аргинин D‐аргинин 0.013 0.023 0.047 0.060 0.035 0.033 0.031 0.033 0.015 0.010 0.051 0.041 0.020 0.023 0.048 0.065 0.058 0.056 0.018 0.019 0.035 0.033 0.058 0.035 0.029 0.019 0.033 0.041 0.014 0.010 0.023 0.042 0.004 0.013 PM3 L‐аргинин D‐аргинин 0.023 0.026 0.054 0.061 0.052 0.060 0.036 0.040 0.019 0.007 0.050 0.042 0.017 0.034 0.048 0.069 0.065 0.059 0.026 0.025 0.037 0.037 0.065 0.034 0.035 0.019 0.038 0.049 0.024 0.063 0.029 0.071 0.007 0.005 43 Нифтали Годжаев, Светлана Демухамедова, Ирада Алиева Наряду с геометрическими свойствами молекул весьма существенны их физи‐ ческие свойства, определяющие пове‐ дение молекул в различных силовых полях. За электрические свойства мо‐ лекул ответственны их дипольные мо‐ менты и поляризуемости, определяю‐ щие оптические свойства молекул [21‐ 23]. Дипольный момент и поляризуе‐ мость служат основными характерис‐ тиками электронной оболочки молеку‐ лы, через них выражаются силы меж‐ молекулярного взаимодействия. Важ‐ нейшим свойством дипольных момен‐ тов является их аддитивность. Возмож‐ ность рассматривать дипольные мо‐ менты отдельных связей как независи‐ мые определяется направленностью ва‐ лентных сил, пространственной лока‐ лизацией электронных облаков. Диполь‐ ный момент молекулы определяется как сумма дипольных моментов сос‐ тавляющих молекулу структурных фрагментов. Программа LEV исполь‐ зует для расчета абсолютных интенсив‐ ностей в колебательных спектрах поглощения валентно‐оптическую тео‐ рию, в основе которой лежит пред‐ ставление полного дипольного момен‐ та молекулы в виде векторной суммы параметров, получивших название ди‐ польных моментов связей. Действи‐ тельно, при образовании связи проис‐ ходит обмен валентными электронами между атомами связи, причем вероят‐ ность перехода электронов с одного атома связи в общем случае не равна вероятности перехода электронов от другого атома связи, и в результате воз‐ никает первичный дипольный момент. Взаимодействие пары электронов соп‐ ровождается индуцированием на каж‐ дом из них дипольного момента, элек‐ тронные плотности атомов при этом несколько смещаются друг к другу. Об‐ разование химической связи сопро‐ вождается накоплением электронной плотности в пространстве между ядра‐ ми. Возникновение стабильной систе‐ мы обеспечивается балансом сил, действующих на ядра и перерас‐ пределением электронной плотности. Нами были рассчитаны дипольные мо‐ менты всех связей низкоэнергетических конформаций L‐ и D‐аргинина различ‐ ными полуэмпирическими методами квантовой химии. В таблице 5 в ка‐ честве примера приведены вычислен‐ ные значения дипольных моментов связей пептидной группы С5О6N7Н8 для 6‐ой конформации L‐ и D‐арги‐ нина, полученные разными полуэмпи‐ рическими методами расчета. Таблица 5. Дипольные моменты (дебай) некоторых связей для 6‐ой конформации L‐ и D‐аргинина Связь CNDO/2 AM1 L‐Arg D‐Arg L‐Arg D‐Arg PM3 MNDO CNDO/М MINDO/3 L‐rg D‐Arg L‐Arg D‐Arg L‐Arg D‐Arg L‐Arg D‐Arg С1С5 ‐0.005 +0.082 ‐0.465 ‐0.433 ‐0.330 ‐0.326 ‐0.530 ‐0.497 ‐0.274 ‐0.167 С5О6 ‐1.802 ‐2.191 ‐1.878 ‐2.316 ‐3.389 ‐3.784 ‐3.073 ‐3.506 С5N7 ‐0.381 +0.118 ‐0.563 +0.117 0.287 С9С28 ‐0.123 ‐0.014 ‐1.824 ‐2.273 ‐2.046 ‐2.566 44 1.074 ‐0.750 ‐0.058 ‐1.220 ‐0.683 ‐0.583 ‐0.201 ‐0.119 ‐0.086 +0.005 ‐0.250 ‐0.174 ‐0.451 Анализ приведенных в таблице 5 ре‐ зультатов расчета показывает, что наб‐ 0.080 0.531 ‐0.072 0.129 0.045 0.025 людается существенное различие в дипольных моментах связей пептид‐ Journal of Qafqaz University Квантовохимическое Исследование Конформеров L‐ и D‐ Аргинина ной группы для L‐ и D‐стереоизомеров аргинина. При сравнении дипольных моментов связей видно, что наиболь‐ шая разница в их значениях наблю‐ дается для связей С1‐С5, С5‐О6, С5‐N7, С9‐С28. В таблице 6 приведены пределы изменения дипольных моментов от‐ дельных связей в L‐ и D‐аргинине. Таблица 6. Пределы изменения величин дипольных моментов отдельных связей в L‐ и D‐аргинине Пределы изменения дипольных моментов связей, дебай Связь С5О6 С1С5 С5N7 N7C9 C9H10 C9C11 C11H12 C11H13 C9C28 C14H15 C14H16 C11C14 C28N30 Метод СNDO/2 L‐аргинин D‐аргинин ‐1.709 ÷ ‐1.808 ‐2.261 ÷ ‐2.091 ‐0.029 ÷ 0.011 0.089 ÷ 0.062 ‐0.474 ÷ ‐0.381 0.118 ÷ 0.024 0.563 ÷ 0.447 0.738 ÷ 0.630 0.133 ÷ ‐0.004 0.107 ÷ ‐0.007 0.106 ÷ 0.075 0.191 ÷ 0.116 0.095 ÷ ‐0.048 0.162 ÷ ‐0.035 0.069 ÷ ‐0.059 0.126 ÷ ‐0.033 ‐0.101 ÷ ‐0.016 0.082 ÷ 0.007 ‐0.015 ÷ 0.058 ‐0.020 ÷ 0.076 0.151 ÷ ‐0.023 0.082 ÷ ‐0.016 ‐0.155 ÷ 0.044 ‐0.049 ÷ 0.083 0.180 ÷ 0.096 0.213 ÷ 0.108 Метод РМ3 L‐аргинин D‐аргинин ‐1.818 ÷ ‐2.087 ‐2.206 ÷ ‐2.566 ‐0.276 ÷ ‐0.344 ‐0.276 ÷ ‐0.378 0.038 ÷ 0.287 0.811 ÷ 1.074 ‐0.048 ÷ 0.226 ‐0.056 ÷ 0.260 0.315 ÷ 0.566 0.317 ÷ 0.517 ‐0.020 ÷ 0.235 0.294 ÷ 0.099 0.245 ÷ 0.496 0.273 ÷ 0.632 0.251 ÷ 0.591 0.267 ÷ 0.577 ‐0.152 ÷ 0.070 ‐0.096 ÷ 0.090 0.472 ÷ 0.273 0.456 ÷ 0.262 0.604 ÷ 0.263 0.460 ÷ 0.282 ‐0.265 ÷ 0.040 ‐0.255 ÷ 0.072 1.307 ÷ 1.558 1.303 ÷ 1.471 При сравнении суммарных дипольных моментов наибольший дипольный мо‐ мент молекулы наблюдается у 2‐ой кон‐ формации L‐аргинина и у 8‐ой кон‐ формации D‐аргинина, являющихся зеркальным отображением друг друга. В таблице 7 приведены рассчитанные различными полуэмпирическими ме‐ тодами квантовой химии суммарные значения дипольных моментов моле‐ кул L‐и D‐аргинина для исследуемых низкоэнергетических конформаций. D‐аргинин MINDO/3 MNDO AM1 PM3 CNDO/2 CNDO/M MINDO/3 MNDO AM1 PM3 М е т о д р а с ч е т а CNDO/M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 L‐аргинин CNDO/2 № конформации Таблица 7. Суммарный дипольный момент молекул L‐ и D‐аргинина в различных конформационных состояниях (дебай) 6.45 11.34 8.93 7.38 6.56 5.82 9.28 8.78 4.78 9.18 15.94 12.04 10.19 10.08 7.91 13.01 12.33 5..90 6.33 10.30 8.08 6.30 5.77 4.52 8.59 8.28 5.01 5.03 9.62 7.48 6.07 5.99 5.02 8.34 8.10 4.91 5.38 10.07 7.83 6.26 6.21 5.17 8.55 8.33 4.90 5.55 10.68 8.47 7.00 6.64 6.08 9.16 8.75 5.11 5.07 8.75 4.82 5.95 7.64 5.33 8.97 11.67 6.96 6.11 12.03 6.52 7.21 11.39 7.27 11.84 16.18 9.64 5.29 8.20 4.64 5.37 6.88 4.37 8.34 10.58 6.77 5.06 7.95 5.12 5.10 7.10 4.87 7.35 9.77 5.36 5.04 8.15 5.11 5.10 7.43 4.92 7.75 10.24 5.72 5.25 8.56 5.58 5.78 8.05 5.67 8.26 10.88 5.95 Number 19, 2007 45 Нифтали Годжаев, Светлана Демухамедова, Ирада Алиева Анализ результатов расчетов полной электронной энергии молекул L‐ и D‐ аргинина в различных конформацион‐ ных состояниях (табл.8) показывает, что правильно описывают распределе‐ ние относительных значений энергий с результатами теоретического конфор‐ мационного анализа только методы АМ1 и РМ3. Таблица 8. Полная электронная энергия молекул L‐ и D‐аргинина в различных конформационных состояниях (кДж/моль) № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CNDO/2 ‐432943.95000 ‐432940.64835 ‐432932.54176 ‐432945.55001 ‐432931.22208 ‐432944.51312 ‐432948.75494 ‐432930.93929 ‐432936.40653 CNDO/M ‐283698.19675 ‐283724.68456 ‐283761.16423 ‐283724.30751 ‐283735.52477 ‐283746.36498 ‐283560.00763 ‐283661.99987 ‐283678.68437 ‐432992.96414 ‐432985.23460 ‐432985.80018 ‐432995.79203 ‐433013.41915 ‐433010.11996 ‐432989.28790 ‐432994.47235 ‐432999.75106 ‐283717.14355 ‐283698.95085 ‐283732.41410 ‐283695.65165 ‐283722.04521 ‐283766.53720 ‐283793.59059 ‐283762.67243 ‐283739.29528 L‐аргинин MINDO/3 MNDO ‐274908.29453 ‐283630.51613 ‐274944.20862 ‐283666.43022 ‐274944.77419 ‐283664.63923 ‐274945.05698 ‐283663.22528 ‐274950.42996 ‐283671.52040 ‐274947.97913 ‐283672.08598 ‐274863.80254 ‐283581.31100 ‐274917.34375 ‐283638.52846 ‐274925.45034 ‐283648.52030 D‐аргинин ‐274927.90117 ‐283642.95881 ‐274917.90933 ‐283634.28664 ‐274920.26589 ‐283639.84814 ‐274910.74536 ‐283628.81940 ‐274900.47073 ‐283599.31518 ‐274938.92991 ‐283661.52856 ‐274954.48325 ‐283666.24169 ‐274945.99961 ‐283661.15151 ‐274912.91340 ‐283627.68825 Таким образом, на основе анализа результатов наших расчетов, можно заключить, что изменение распреде‐ ления зарядов на атомах пептидной группы дает информацию о конфор‐ мационных перестройках внутри L‐ или D‐стереоизомера, а дипольные мо‐ менты связей пептидной группы более чувствительны к L‐ и D‐стереоизомери‐ зации. Для установления причин из‐ менения функциональных свойств необходимо также исследовать измене‐ ния внешнего электростатического поля, которое сильнее зависит от даль‐ 46 AM1 ‐282739.73364 ‐282751.32796 ‐282759.90586 ‐282747.74597 ‐282774.70510 ‐282765.56162 ‐282730.21311 ‐282743.31563 ‐282746.04925 PM3 ‐251373.72702 ‐251388.99758 ‐251394.93613 ‐251395.50170 ‐251407.56733 ‐251406.90749 ‐251343.46869 ‐251371.93603 ‐251376.55490 ‐282758.96323 ‐282754.90994 ‐282771.50017 ‐282746.61482 ‐282768.10672 ‐282781.11497 ‐282768.10672 ‐282763.77063 ‐282753.11895 ‐251365.62043 ‐251359.68188 ‐251377.02622 ‐251360.71877 ‐251381.55082 ‐251398.61237 ‐251380.89099 ‐251377.02622 ‐251363.92370 них заместителей, чем изменение элек‐ тронной плотности. Поэтому нами по‐ мимо исследования электронной плот‐ ности было проведено изучение пове‐ дения молекулярных электростатичес‐ ких потенциалов и электронно‐ядер‐ ных сил. Так как программа вычисляет значения электронной плотности и электроста‐ тического потенциала точек плоскости, мы позиционировали модели молекул таким образом, чтобы пептидные груп‐ пы располагались по возможности ближе к плоскости сечения. Вычислен‐ ные значения распределения валент‐ Journal of Qafqaz University Квантовохимическое Исследование Конформеров L‐ и D‐ Аргинина ной электронной плотности и элек‐ тростатического потенциала вдоль за‐ данных сечений исследуемых молекул, а также действие электронно‐ядерных сил на атомы пептидных групп пред‐ ставлены на рис. 2 и 3 в виде наглядных карт уровней электронной плотности, электростатического потен‐ циала и электронно‐ядерных сил, дейс‐ твующих на ядро определенного ато‐ ма. Каждому уровню соответствует оп‐ ределенный цвет в соответствии с планкой уровней. На рисунках 2 и 3 также приведены трехмерные поверх‐ ности электронной плотности, элек‐ тростатического потенциала и элек‐ тронно‐ядерных сил, на которых вы‐ сота точки пропорциональна значению электронной плотности или электро‐ статического потенциала. Как видно из рисунков, вокруг ядер наблюдаются области повышенного потенциала. Однако, чем ближе на‐ ходится точка пространства к ядру, тем меньше чувствуется влияние других ядер. Это означает, что поведение внут‐ ренних оболочек атомов мало зависит от окружения. Перераспределение электронной плотности происходит за счет действия электронно‐ядерных сил со стороны электронных облаков дру‐ гих атомов молекулы, что приводит к дополнительному положительному потенциалу в межъядерных промежут‐ ках. Это подтверждает, что образова‐ ние химической связи определяется характером формирования электрон‐ но‐ядерных сил. а г б в д е Number 19, 2007 ж з и 47 Нифтали Годжаев, Светлана Демухамедова, Ирада Алиева к л м н о п р с т Рис. 2. L‐аргинин. а) плоскость сечения молекулы перпендикулярна рисунку; б) плоскость сечения молекулы; в) контурная карта электронной плотности; г) поверхность электронной плотности; д) электростатический потенциал; е) поверхность электростатического потенциала; ж) карта проекций электронно‐ядерных сил, действующих на ядро атома C5; з) на атом O6; и) на атом N7; к) поверхность проекций электронно‐ядерных сил, действующих на атом C5; л) на атом O6; м) на атом N7; н) карта проекций электронно‐ядерных сил, действующих на ядро атома C28; о) на атом O29; п) на атом N30; р) поверхность проекций электронно‐ядерных сил, действующих на атом C28; с) на атом O29; т) на атом N 30 а г в д е 48 ж б з и Journal of Qafqaz University Квантовохимическое Исследование Конформеров L‐ и D‐ Аргинина к н м о р л п с т Рис. 3. D‐аргинин. а) плоскость сечения молекулы перпендикулярна рисунку; б) плоскость сечения молекулы; в) контурная карта электронной плотности; г) поверхность электронной плотности; д)электростатический потенциал; е) поверхность электростатического потенциала; ж) карта проекций электронно‐ядерных сил, действующих на ядро атома C5; з) на атом O6; и) на атом N7; к) поверхность проекций электронно‐ядерных сил, действующих на атом C5; л) на атом O6; м) на атом N7; н) карта проекций электронно‐ядерных сил, действующих на ядро атома C28; о) на атом O29; п) на атом N30; р) поверхность проекций электронно‐ядерных сил, действующих на атом C28; с) на атом O29; т) на атом N 30. Number 19, 2007 49 Нифтали Годжаев, Светлана Демухамедова, Ирада Алиева ЛИТЕРАТУРА 19. Gribov L.A. Light elucidation of vibrations. The description of the program and instruction to the user // OOO «INLAN», 1995. 1. Lehninger A. Principles of Biochemistry (fourth edition), W.H.Freeman, 2004, 1118 p. 2. Якубке Х.‐Д., Ешкайт Х. Аминокислоты, пептиды, белки. М.:Мир, 1985, 455 с. 20. Momany F.A., McGuire R.F, Burgess A.W., Scheraga H.A. // J. Phys. Chem., 1975, v. 79, p. 2361‐2381. 3. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М.:Мир, 2002, 592 с. 21. Волькенштейн М.В., Грибов Л.А., Ельяшевич М.А., Степанов В.И. Колебания молекул. М: Наука, 1972, с. 700. 4. Граник В.Г. Основы медицинской химии. М.:Вузовская книга. 2001, 384 с. 22. Грибов Л.А.. Теория инфракрасных спектров полимеров. М: Наука, 1977, с.240. 5. Солдатенков А.Т., Колядинат Н.М., Шендрик И.В. Основы органической химии лекарственных веществ. М.: Химия, 2001, 96 с. 6. Годжаев Н.М., Алиева И.Н., Демухамедова С.Д. // Journal of Qafqaz University, 2006, No.17, p.99‐111. 23. Грибов Л.А., Баранов В.И., Новосадов Б.К. Методы расчета электронно‐колебательных спектров многоатомных молекул. М: Наука, 1984, с 326. 7. Годжаев Н.М., Демухамедова С.Д., Алиева И.Н. // Тезисы докладов II Международной конференции «Химия, структура и функция биомолекул», Минск, Беларусь, 2006, PR‐34. 8. Демухамедова С.Д., Алиева И.Н., Годжаев Н.М. // Тезисы докладов 5‐ой Всерос‐ сийской конференции «Молекулярное моделирование», Москва, 2007. 9. Wu G., Morris S.M. // Biochem. J., 1998, v.336, p.1‐17. 10. Wu G., Meininger C.J. // J. Nutr., 2000, v.130, p.2626‐2629. 11. Siani A., Pagano E., Iacone R. et al. // Am. J. Hypertens., 2000, v.13, p.547‐551. 12. Swanson B., Keithley J.K., Zeller J.M., Sha B.E. // Nutrition, 2002, v.18, p.688‐690. 13. Park K.G. // Proc. Nutr. Soc., 1993, v.52, p.387‐ 401. 14. Evoy D., Lieberman M.D., Fahey T.J., Daly J.M. // Nutrition, 1998, v.14, p.611‐617. 15. Ohtsuka Y., Nakaya J. // Am. J. Med., 2000, v.108, p.439. 16. Попл Д.А. // Успехи физических наук, 2002, т.172, №3, с.349‐356. 17. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Квантовая механика молекул и квантовая химия. М.: Изд‐во МГУ, 1991, 384 с. 18. Грибов Л.А., Муштакова С.П. Квантовая химия. М.: Гардарики, 1999, 390 с. 50 Journal of Qafqaz University
